Reibung und schiefe Ebene
Ohne Reibung könnten wir weder gehen noch bremsen – und ein Schrank würde auf jedem schiefen Boden davonrutschen. Hier erfährst Du, welche Arten von Reibung es gibt, wie man die Reibungskraft berechnet und wie man Kräfte an der schiefen Ebene zerlegt.
Arten der Reibung
| Art | Wann? | Beispiel |
|---|---|---|
| Haftreibung | Der Körper ruht noch; sie verhindert das Losrutschen. | Schuhe auf dem Boden, Reifen beim normalen Fahren |
| Gleitreibung | Der Körper rutscht über die Unterlage. | Schlitten, blockierte Räder |
| Rollreibung | Der Körper rollt. | Fahrrad, Kugellager |
Die Reibung entsteht, weil sich die winzigen Unebenheiten der Oberflächen verhaken und Teilchen aneinander haften. Es gilt fast immer: Haftreibung > Gleitreibung > Rollreibung. Deshalb ist es leichter, eine Kiste in Bewegung zu halten, als sie loszuschieben – und deshalb gibt es das Rad.
Die Reibungskraft berechnen
FR = μ · FN Reibungskraft = Reibungszahl · Normalkraft
Die Normalkraft FN ist die Kraft, mit der der Körper senkrecht auf die Unterlage drückt – auf ebenem Boden ist sie gleich der Gewichtskraft. Die Reibungszahl μ (sprich: mü) hängt von den Materialien ab, kaum aber von der Größe der Auflagefläche.
| Materialpaar | Haftreibung μH | Gleitreibung μG |
|---|---|---|
| Gummi auf trockenem Asphalt | ≈ 0,9 | ≈ 0,7 |
| Gummi auf nassem Asphalt | ≈ 0,5 | ≈ 0,4 |
| Holz auf Holz | ≈ 0,5 | ≈ 0,3 |
| Stahl auf Stahl (trocken) | ≈ 0,15 | ≈ 0,1 |
| Stahl auf Eis (Schlittschuh) | ≈ 0,03 | ≈ 0,01 |
Rollreibungszahlen sind viel kleiner: Autoreifen auf Asphalt etwa 0,01, Eisenbahnrad auf Schiene etwa 0,002.
Beispiel: Kiste verschieben
Eine Holzkiste (40 kg) steht auf einem Holzboden. FN = 40 kg · 9,81 N/kg ≈ 392 N.
Zum Losschieben: F = 0,5 · 392 N ≈ 196 N. Zum Weiterschieben genügen 0,3 · 392 N ≈ 118 N.
Kräfte an der schiefen Ebene
Auf einer geneigten Ebene zieht die Gewichtskraft schräg zur Unterlage. Man zerlegt sie in zwei Teilkräfte:
FH = FG · sin α FN = FG · cos α
- Die Hangabtriebskraft FH zieht den Körper hangabwärts. Je steiler, desto größer.
- Die Normalkraft FN drückt ihn auf die Ebene. Je steiler, desto kleiner – und damit auch die Reibung.
- Der Körper bleibt liegen, solange FH ≤ μH · FN ist, also solange tan α ≤ μH.
Beispiel: Rutscht der Schlitten?
Ein Schlitten (Gleitreibung auf Schnee μ ≈ 0,05) steht an einem Hang mit 10°. tan 10° ≈ 0,18 – das ist viel mehr als 0,05. Der Schlitten rutscht los und wird immer schneller. Bei einer Holzkiste auf einer Holzrampe (μH ≈ 0,5) bleibt sie dagegen bis etwa 27° liegen (tan 27° ≈ 0,5).
Reibung im Alltag – erwünscht und unerwünscht
- Erwünscht: Gehen, Bremsen, Knoten, Nägel und Schrauben halten durch Reibung. Im Winter streut man Sand, um die Reibung zu erhöhen.
- Unerwünscht: In Motoren und Lagern wandelt Reibung Bewegungsenergie in Wärme um. Öl, Kugellager und glatte Oberflächen verringern sie.
Typischer Fehler
Die Reibungskraft immer mit der Gewichtskraft berechnen. Richtig ist die Normalkraft – auf der schiefen Ebene ist sie kleiner als die Gewichtskraft, und wer zusätzlich von oben drückt, macht sie größer.
Teste Dich selbst
Weiterlesen: Reibung, Schiefe Ebene bei Wikipedia